Summary
Este artigo fornece uma técnica para a fabricação de supercapacitores à base de chip usando uma impressora a jato de tinta. As metodologias são descritas detalhadamente para sintetizar tintas, ajustar parâmetros de software e analisar os resultados eletroquímicos do supercapacitor fabricado.
Abstract
Há enormes esforços em vários campos para aplicar o método de impressão a jato de tinta para a fabricação de dispositivos vestíveis, displays e dispositivos de armazenamento de energia. Para obter produtos de alta qualidade, no entanto, habilidades de operação sofisticadas são necessárias dependendo das propriedades físicas dos materiais de tinta. Nesse sentido, otimizar os parâmetros de impressão do jato de tinta é tão importante quanto desenvolver as propriedades físicas dos materiais de tinta. Neste estudo, é apresentada a otimização dos parâmetros do software de impressão a jato de tinta para a fabricação de um supercapacitor. Supercapacitores são sistemas atraentes de armazenamento de energia devido à sua alta densidade de energia, vida útil longa e várias aplicações como fontes de energia. Supercapacitores podem ser usados na Internet das Coisas (IoT), smartphones, dispositivos vestíveis, veículos elétricos (EVs), grandes sistemas de armazenamento de energia, etc. A ampla gama de aplicações exige um novo método que pode fabricar dispositivos em várias escalas. O método de impressão a jato de tinta pode romper o método convencional de fabricação de tamanho fixo.
Introduction
Nas últimas décadas, vários métodos de impressão foram desenvolvidos para várias aplicações, incluindo dispositivos vestíveis1, farmacêuticos2 e componentes aeroespaciais3. A impressão pode ser facilmente adaptada para vários dispositivos, simplesmente alterando os materiais a serem usados. Além disso, evita o desperdício de matérias-primas. Para a fabricação de dispositivos eletrônicos, vários métodos de impressão, como impressão de tela4, push-coating5 e litografia6 foram desenvolvidos. Em comparação com essas tecnologias de impressão, o método de impressão a jato de tinta tem múltiplas vantagens, incluindo redução do desperdício de material, compatibilidade com múltiplos substratos7, low cost8, flexibilidade9, processamento de baixa temperatura10 e facilidade de produção em massa11. No entanto, a aplicação do método de impressão a jato de tinta dificilmente foi sugerida para certos dispositivos sofisticados. Aqui, apresentamos um protocolo estabelecendo diretrizes detalhadas para usar o método de impressão a jato de tinta para imprimir um dispositivo supercapacitor.
Supercapacitores, incluindo pseudocapacitores e capacitores eletroquímicos de dupla camada (EDLCs), estão surgindo como dispositivos de armazenamento de energia que podem complementar as baterias convencionais de íons de lítio12,13. Especialmente, o EDLC é um dispositivo promissor de armazenamento de energia devido ao seu baixo custo, alta densidade de energia e longa vida útil14. O carbono ativado (AC), com alta área de superfície específica e condutividade, é usado como material eletrodo em EDLCs comerciais15. Essas propriedades de AC permitem que os EDLCs tenham uma alta capacitância eletroquímica16. Os EDLCs têm o volume passivo nos dispositivos quando o método convencional de fabricação de tamanho fixo é usado. Com a impressão a jato de tinta, os EDLCs podem ser totalmente integrados ao design do produto. Portanto, o dispositivo fabricado usando o método de impressão a jato de tinta é funcionalmente melhor do que o fabricado pelas metodologias de tamanho fixo existentes17. A fabricação de EDLCs utilizando o método eficiente de impressão a jato de tinta maximiza a estabilidade e a longevidade dos EDLCs e fornece um fator de forma livre18. Os padrões de impressão foram projetados usando um programa PCB CAD e convertidos em arquivos Gerber. Os padrões projetados foram impressos usando uma impressora a jato de tinta porque tem controle preciso habilitado para software, alto rendimento de material e estabilidade de impressão.
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Protocol
1. Projeto de padrão usando o programa PCB CAD
- Execute o programa CAD. Clique no botão Arquivo no topo da janela do programa. Para formar um novo arquivo de projeto, clique nos botões Novo e Projeto .
- Para gerar o arquivo do quadro, clique nos botões Arquivo, Novo e Placa em ordem. Defina os valores de tamanho da grade, múltiplos e alt clicando no botão Grade em forma de malha no canto superior esquerdo da janela de arquivo de placa criada (ou clicando em Exibir e Grade em ordem na parte superior da janela).
- Altere tanto o tamanho da grade quanto o valor alt de mm para polegada para que a impressora a jato de tinta possa ler o padrão CAD do PCB. Pressione finest para fazer ajustes finos.
- Projete o padrão da linha coletora atual e EDLC de forma interditada. Projete o padrão de eletrólito de polímero de gel (GPE) e as almofadas coletoras de corrente em uma forma retangular (Figura 1).
NOTA: Largura do padrão: 43 mm, altura do padrão: 55 mm, comprimento da linha: 40 mm, largura da linha: 1,0 mm, espaço linha-a-linha: 1,5 mm e tamanho da almofada: 15 x 5 mm2.- Uma vez que o padrão final consiste em três tipos (linha condutora, EDLC e GPE), defina as três camadas da seguinte forma.
- Clique em Configurações de exibição e camadas em ordem na parte superior da janela. Crie novas camadas clicando no botão Nova camada no canto inferior esquerdo da janela Camadas Visíveis .
- Na nova janela (Nova camada), configure o nome e a cor da nova camada. Para distinguir visualmente as camadas, defina os nomes das três camadas para Coletor Atual, EDLC e GPE, e altere as cores correspondentes clicando na caixa à direita da Cor.
- Pressione Linha no canto inferior esquerdo da tela, clique no campo principal (fundo preto) e arraste para desenhar uma linha. Para alterar a espessura da linha, insira o valor da Largura localizado no centro superior em escala de polegada (1,0 mm = 0,0393701 polegada).
- Para editar o comprimento de uma linha, clique com o botão direito do mouse na linha e clique em Propriedades na parte inferior. Nos campos De e Para , insira os valores x e y dos pontos de partida e final.
- Para definir o ponto de referência do padrão, defina o canto superior esquerdo do padrão mostrado na Figura 1 para (0,0). Desenhe o resto do padrão com base nas informações acima.
- Para definir o padrão desenhado na camada desejada, clique com o botão direito do mouse no padrão e clique em Propriedades. Em seguida, clique em Camada e escolha a camada desejada.
- Para desenhar padrões retangulares da almofada coletora atual e gpe, pressione Rect no canto inferior esquerdo da janela principal. Clique e arraste na tela (campo principal) onde existe o padrão anteriormente desenhado.
- Para editar, clique com o botão direito do mouse na superfície retangular e clique em Propriedades na parte inferior. Insira o valor superior esquerdo (x,y) e o valor inferior direito (x,y) do retângulo nos campos De e Para , respectivamente. Coloque o retângulo na camada desejada conforme mencionado na etapa 1.4.5.
- Uma vez que o padrão final consiste em três tipos (linha condutora, EDLC e GPE), defina as três camadas da seguinte forma.
- Converta o arquivo CAD do padrão projetado no formato de arquivo Gerber que é lido pela impressora a jato de tinta.
- Antes de converter o arquivo padrão projetado, salve o Arquivo de Placa em formato .brd. Para salvar, clique em Arquivo e, em seguida, em Salvar (ou pressione ctrl + S no teclado).
- Depois de salvar, clique em Arquivar na parte superior da janela e clique em Processador CAM. Para criar um arquivo Gerber da camada desejada, modifique os itens em Gerber de Arquivos de Saída no lado esquerdo da janela, da seguinte forma.
- Primeiro, exclua as sub-listas, como cobre superior e cobre inferior pressionando o '-' abaixo. Pressione '+' e clique em New Gerber Output para criar a saída Gerber.
- No lado direito da tela, defina o nome da camada em Nome e Função para Cobre pressionando a engrenagem à direita. Defina o tipo de camada para cima e defina o número da camada gerber do coletor atual, EDLC e GPE para L1, L2, L3, respectivamente.
- Na janela Camadas na parte inferior do Arquivo Gerber, clique em Editar camadas no canto inferior esquerdo e selecione cada camada desejada.
- Para definir o nome do arquivo de saída a ser criado, defina o nome de arquivo Gerber na parte inferior da janela para %PREFIX/%NAME.gbr.
- Por fim, clique em Salvar trabalho no canto superior esquerdo da janela para salvar as configurações. Clique em Process Job no canto inferior direito para criar um arquivo Gerber.
2. Síntese de tinta
NOTA: A tinta Ag flexível é usada como tinta condutora para a linha de colecionador atual e almofadas.
- Prepare tinta EDLC usando terpineol, etilcelulose, carbono ativado (AC), Super-P, difluoreto de polivinida (PVDF) e Triton-X da seguinte forma.
- Use 2.951 μL de terpineol com alta viscosidade como solvente e 1,56 g de celulose etil como espessante. Defina a razão de AC para Super-P para PVDF como 7:2:1 com um peso total de 1,8478 g. Além disso, use 49 μL de Triton-X como surfactante para misturar.
- Misture todos os materiais por 30 minutos usando uma batedeira planetária. Coloque o material de eletrodo bem misturado em um cartucho para a impressora a jato de tinta e centrifuá-lo a 115 x g por 5 min.
- Prepare a tinta GPE usando carbonato de propileno (PC), PVDF e perclorato de lítio (LiClO4) da seguinte forma.
- Use o PC como solvente, PVDF como a matriz do polímero, e LiClO4 como o sal. Pesar todos os componentes do GPE de tal forma que a concentração molar final de LiClO4 é de 1 M, e o peso final % de PVDF é de 5 wt%.
- Mexa todos os componentes a 140 °C por 1h até a dissolução. Depois de mexer, esfrie a tinta GPE o suficiente e coloque-a no cartucho de tinta.
3. Configuração do parâmetro do software da impressora inkjet
- Execute o programa de impressora. Clique no botão Imprimir , selecione Simples e selecione Tinta Condutiva Flexível em ordem, conforme mostrado na Figura 2.
- Carregue o arquivo Gerber do padrão projetado seguindo a seta 1 na Figura 3. Escolha e abra o arquivo Gerber da linha condutora (ver 2 e 3 setas na Figura 3). Clique no botão NEXT , conforme indicado pela seta 4.
- Corrija a placa PCB como mostrado na Figura 4A e monte a sonda conforme mostrado na Figura 4B.
- Ajuste o ponto zero da impressora PCB através da sonda clicando no botão CONTORNO (veja a seta vermelha de 1,4 na Figura 5).
NOTA: A sonda se move sobre a placa PCB enquanto mostra o contorno do padrão (veja o canto inferior direito da Figura 5). - Mova a imagem padrão na tela arrastando (veja a seta tracejada amarela na Figura 5). Clique no botão CONTORNO mais uma vez para verificar se a sonda se move pelo caminho desejado. Clique em NEXT (indicado pela seta 5 na Figura 5).
- Clique no PROBE para medir a altura do substrato para verificar se o substrato é plano (Figura 6).
NOTA: A região de sondagem do substrato é automaticamente selecionada pelo programa incorporado na impressora. - Remova a sonda assim que a medição da altura estiver concluída. Insira o cartucho de tinta no distribuidor de tinta e conecte o bocal (diâmetro interno: 230 μm) para preparar o dispensador.
- Monte cada tinta (linha condutora, EDLC, GPE) e imprima um padrão de amostra pressionando o botão CALIBRATE , ajustando os parâmetros de cada tinta (Figura 7).
- Verifique visualmente o resultado da impressão e regisse os valores dos parâmetros de cada tinta. Consulte resultados representativos para obter detalhes.
4. Imprimindo a linha condutora
NOTA: Desde as etapas 4.1. para 4,7. sobrepõem-se à seção 3, elas são resumidas brevemente abaixo.
- Execute o programa de impressora a jato de tinta e clique em Imprimir no menu iniciar e selecione Simples (Figura 1).
- Clique no botão Escolher Arquivo ao lado da Tinta para carregar o arquivo padrão projetado e clique em NEXT (Figura 3).
- Corrija a placa PCB na impressora e instale a sonda (Figura 4).
- Verifique a posição do padrão no substrato e meça a altura do substrato (Figura 5 e Figura 6).
- Remova a sonda e, em seguida, monte o distribuidor de tinta condutora (tinta Ag flexível).
- Altere os parâmetros de software de tinta condutora clicando no botão Configurações (ver Figura 7 e Tabela 1).
- Imprima um padrão de amostra para verificar se a configuração da etapa 4.6 é bem sucedida.
- Apague o padrão de impressão da amostra com um lenço de limpeza umedecido com etanol.
- Imprima o padrão projetado da linha condutora pressionando o botão START .
- Após a impressão, cure a linha condutora a 180 °C por 30 min. Em seguida, meça o peso combinado do substrato e da linha condutora.
5. Imprimindo a linha EDLC
- Selecione a opção Alinhada na tela inicial do programa de impressora. Carregue o arquivo padrão de linha EDLC e clique em NEXT (veja o passo 3.2).
- Certifique-se de que a posição da linha condutora seja detectada através de dois pontos de alinhamento para alinhar as posições padrão da linha EDLC e da linha condutora. Em seguida, mova-se para um ponto aleatório e verifique se o local está correto.
- Meça a altura geral da linha condutora para verificar a altura do bocal do dispensador acima da linha condutora clicando no botão PROBE (ver Figura 6).
- Alterar os valores dos parâmetros de software das tintas EDLC (Figura 7 e Tabela 1).
- Imprima um padrão de amostra para verificar se os valores dos parâmetros de software são apropriados. Apague o padrão de impressão da amostra com um lenço de limpeza umedecido com etanol. Imprima a linha EDLC pressionando o botão START .
- Seque a linha EDLC impressa durante a noite à temperatura ambiente para evaporar o solvente.
- Para calcular o peso da linha EDLC seca, meça o peso combinado do substrato, linha condutora e linha EDLC.
6. Imprimindo o padrão GPE
- Selecione a opção Alinhada na tela inicial do programa de impressora. Carregue o arquivo Gerber do padrão GPE e clique em NEXT (veja o passo 3.2).
- Verifique os pontos de alinhamento e mova-se para qualquer ponto para verificar se a posição está correta.
- Meça a altura da linha EDLC para definir a altura padrão do bocal.
- Alterar os valores dos parâmetros de software das tintas GPE (Figura 7 e Tabela 1).
- Imprima um padrão de amostra para verificar se os valores dos parâmetros de software são apropriados.
- Apague o padrão de impressão da amostra com um lenço de limpeza umedecido com etanol. Imprima o padrão GPE.
- Para ter um processo de estabilização e evaporar o solvente residual, seque o padrão GPE à temperatura ambiente por 24 horas.
7. Teste eletroquímico
- Realize as medições eletroquímicas para o dispositivo supercapacitor impresso em jato de tinta seguindo as etapas abaixo. Ligue o dispositivo de potencialiostat e execute o programa para medir a voltametria cíclica (CV), carga/descarga galvanática (GCD) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS).
- Conecte o potencialiostat ao dispositivo supercapacitor impresso anteriormente.
NOTA: Quatro linhas de conexão são usadas no potencialiostat: o eletrodo de trabalho (WE), o sensor de trabalho (WS), o eletrodo de contador (CE) e o eletrodo de referência (RE). - Conecte a linha WS à linha WE e à linha RE à linha CE, pois o dispositivo fabricado é um supercapacitor simétrico.
- Conecte a linha WE\WS e a linha CE\RE às almofadas de coletor de corrente opostas no dispositivo supercapacitor.
- Conecte o potencialiostat ao dispositivo supercapacitor impresso anteriormente.
- Gere uma sequência de CVs e execute-o para obter o resultado.
- Execute o programa para gerar o arquivo de sequência.
- Clique no botão Nova sequência .
- Clique no botão Adicionar para gerar o passo 1.
- Verifique se o potencial exibido pelo potencial é 0 V ou não. Se o potencial não for 0 V, faça o seguinte.
- Defina controle como CONSTANTE e para configuração, defina Tipo como PSTAT, Modo como NORMAL e Intervalo como AUTO. Para tensão (V), defina Ref. como Eref, e Valor como 0.
- Para Condição-1 de Condição de Corte, defina Item como Hora de Passo, OP como >=, DeltaValue como 1:00 e Go Next como Next. Para a configuração Misc. pressione o botão Amostragem e ajuste Item como Time(s), OP como >= e DeltaValue como 30.
- Clique no botão Adicionar para criar o próximo passo.
- Defina controle como SWEEP e para configuração, defina Tipo como PSTAT, Modo como CYCLIC e Range como AUTO. Para Inicial (V) e Middle (V), defina Ref. como Eref, Value as 0. Para final (V), defina Ref. como Eref e Value como 800.00e-3.
- Use taxas de varredura de tensão de 5, 10, 20, 50 e 100 mV/s. Portanto, de acordo com cada taxa de varredura, defina Scanrate (V/s) como 5.0000e-3, 10.000e-3, 20.000e-3, 50.000e-3, respectivamente.
- Para todas as taxas de varredura, defina tempo de silêncio como 0 e Segmentos como 21. Para condição 1 de condição de corte, defina Item como Step End e Go Next como Next.
- Para a configuração Misc., pressione o botão Amostragem e ajuste o item como time(s) e OP como >=. Para cada taxa de digitalização, defina DeltaValue como 0,9375, 0,5, 0,25, 0,125 e 0,0625.
- Clique no botão Salvar como salvar o arquivo de sequência do teste CV.
- Clique em Aplicar ao CH e execute o arquivo de sequência do teste CV para obter o resultado.
- Gere uma sequência de GCD e execute-o para obter o resultado.
- Execute o programa para gerar o arquivo de sequência.
- Clique no botão Nova sequência .
- Clique no botão Adicionar para gerar o passo 1.
- Verifique se o potencial exibido pelo potencial é 0 V ou não. Se o potencial não for 0 V, faça o seguinte.
- Defina o Controle como CONSTANTE e para configuração, defina Tipo como PSTAT, Modo como NORMAL e Intervalo como AUTO. Para tensão (V), defina Ref. como Eref, Valor como 0.
- Para Condição-1 de Condição de Corte, defina Item como Hora de Passo, OP como >=, DeltaValue como 1:00 e Go Next como Next. Para a configuração Misc., pressione o botão Amostragem e ajuste item como hora(s),OP como >=e DeltaValue como 30.
- Clique no botão Adicionar para criar o próximo passo (Etapa de carga).
- Defina controle como CONSTANTE e para configuração, defina Tipo como GSTAT, Modo como NORMAL e Intervalo como AUTO. Para corrente (A), defina Ref. como ZERO.
- A densidade atual varia entre 0,01 A/g e 0,02 A/g. Por isso, defina o Valor da Corrente (A) para cada densidade atual para 310,26e-6 e 620,52e-6.
- Para Condição-1 de Condição de Corte definir Item como tensão, OP como >=, DeltaValue como 800.00e-3 e Go Next como Next. Para a configuração Misc., defina Item como Time(s),OP como >= e DeltaValue como 1.
- Clique no botão Adicionar para criar o próximo passo (passo de descarga).
NOTA: Esta etapa é definida da mesma forma que a etapa De carga.- Valor de corrente (A) para cada densidade atual para -310,26e-6 e -620,52e-6.
- Para Condição-1 de Condição de Corte definir Item como tensão, OP como <=, DeltaValue como 0,0000e+0 e Go Next como Próximo. Para a configuração Misc., defina Item como Time(s),OP como >= e DeltaValue como 1.
- Clique no botão Adicionar para criar o próximo passo (passo loop).
- Defina controle como LOOP e para configuração definida Tipo como ciclo e iteração como 21.
- Para condição-1 de condição de corte definir item na lista 1 como Loop Next. Para cada densidade atual, defina Go Next como STEP-2 para 0,01 A/g e STEP-5 para 0,02 A/g.
- Clique no botão Salvar Como para salvar o arquivo de sequência do teste GCD.
- Clique em Aplicar ao CH e execute o arquivo de sequência do teste GCD para obter o resultado.
- Gere uma sequência de EIS e execute-o para obter o resultado.
- Execute o programa que pode gerar o arquivo de sequência.
- Clique no botão Nova sequência .
- Clique no botão Adicionar para gerar o passo 1.
- Defina controle como CONSTANTE e para configuração, defina Tipo como PSTAT, Modo como TIMER STOP e Range como AUTO.
- Como a janela potencial de operação neste estudo é definida como 0,0 a 0,8 V, para Tensão, defina o Valor em 400.00e-3, que é o valor médio da janela potencial de operação. Definir o Juiz como Eref.
- Clique no botão Adicionar para gerar o próximo passo.
- Defina controle como EIS e para configuração, defina Tipo como PSTAT, Modo como LOG e Range como AUTO.
- Defina a faixa de frequências como 0,1 Hz a 1 MHz. Portanto, defina Inicial (Hz) e Médio (Hz) para 100,00e+6, e Final (Hz) para 100.00e-3.
- Conforme mencionado na seção 7.4.3.2, defina Valor de Viés (V) para 400,00e-3 e defina Ref. para Eref.
- Para manter uma resposta linear, defina a amplitude (Vrms) para 10.000e-3.
- Definir densidade como 10 e Iteração como 1 para este experimento.
- Clique no botão Salvar Como para salvar o arquivo de sequência do teste GCD.
- Clique em Aplicar ao CH e execute o arquivo de sequência do teste EIS para obter o resultado.
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Representative Results
A tinta foi sintetizada de acordo com a etapa 2, e as características da tinta puderam ser confirmadas de acordo com a referência18. A Figura 8 mostra as propriedades estruturais da tinta condutora e da tinta EDLC, bem como as propriedades reológicas da tinta EDLC relatadas na pesquisa anterior18. A tinta condutora é bem sinterizada para formar caminhos de condução contínua, e espera-se que a rugosidade nanoescala aumente a área de contato com a tinta EDLC (Figura 8A,B). A tinta EDLC é distribuída uniformemente na escala macroscópica, mas tem uma forma de superfície muito áspera na micro e nanoescala, o que possivelmente fornece uma área de superfície alta e melhora a capacidade de armazenamento de energia. Todos os componentes estão bem dispersos e não há elementos visíveis que possam causar entupimento durante a impressão (Figura 8C-F). A Figura 8G apresenta a evolução temporal da viscosidade aparente na tinta EDLC. O valor da viscosidade aumenta com o tempo de tesoura e não mostra comportamento viscoelástico; indica um comportamento de espessamento de tesoura sem qualquer extensão estrutural induzida pelo estresse, alongamento ou rearranjo.
Um supercapacitor impresso foi obtido com sucesso utilizando o presente protocolo (Figura 9B). A qualidade da impressão é considerada boa se o padrão impresso tiver menos ou nenhum defeito (compare a Figura 9B com 9A), rugosidade mínima da superfície e espessura uniforme. Os parâmetros principais que afetam a qualidade do método de impressão do jato de tinta são a taxa de alimentação, chute, comprimento de corte, distância anti-stringing, setpoint reológico e relação start/stop suave. Neste estudo, os resultados de impressão da linha GPE e EDLC (ou camada) foram avaliados com base nos resultados de impressão da linha condutora.
A taxa de alimentação e a velocidade de viagem do eixo XY durante a dispensação determinam o tempo total de impressão. Eles também têm um impacto significativo na espessura da linha e na prevenção de problemas de corte. Todas as linhas eram uniformes sem desconexão visível quando a taxa de alimentação era mínima (100 mm/min) (Figura 10A); no entanto, levou muito tempo para imprimir o produto. Em contrapartida, o tempo total de impressão diminuiu quando a taxa de alimentação foi máxima (600 mm/min) (Figura 10D); no entanto, em comparação com os resultados impressos com uma taxa de alimentação de 500 mm/min (Figura 10C), a linha foi cortada ou rachada porque o dispensador se movia rapidamente. Uma taxa de alimentação de 300 mm/min é considerada ótima para um tempo adequado de impressão e para evitar a formação de crack (Figura 10B). O chute controla a pressão aplicada através do comprimento do traçado do pistão dentro do dispensador. Todas as linhas foram desligadas quando o chute era muito baixo (o valor mínimo é igual a 0,1 mm). No entanto, a alta pressão em um chute alto (o valor máximo é igual a 0,7 mm) criou um gargalo resultando no entupimento do bocal. Portanto, é necessário usar um valor adequado de chute (0,35 mm) para que a linha não quebre, e o bocal não entupe (Figura 11).
O comprimento do acabamento é a distância máxima percorrida para uma dispensa e tem um valor que varia de 1 mm a 9999 mm. A impressora imprime grosseiramente e leva um longo tempo quando o comprimento do acabamento é de 1 mm. Portanto, o comprimento do corte precisa ser ajustado com base no comprimento total do padrão. Neste protocolo, o comprimento do corte foi definido como 120 mm (Figura 12). Uma corda pode ser formada no final do bocal porque a adesão da tinta ao bico é maior do que a adesão da tinta ao substrato com base na energia superficial da tinta. A distância anti-cordas ajuda a quebrar com segurança as cordas empurrando o bocal para trás (Figura 13). O setpoint reológico é um parâmetro que compensa a taxa de fluxo para manter a pressão após a dispensação. O valor de dispensação não aumenta mesmo após a impressão de um padrão quando o ponto de de configuração reológico está no seu valor mínimo (0,0). No entanto, o valor de dispensação e a taxa de fluxo da tinta aumentam quando o ponto de conjunto reológico está no valor máximo (1,0). Além disso, o entupimento ocorre devido ao efeito de gargalo quando o ponto de setpoint reológico é alto. Assim, o ponto de ajuste reológico precisa ser ajustado com base na viscosidade e compressão da tinta (Figura 14).
A relação início/parada suave é um parâmetro que ajusta a diferença entre o momento em que o chute (pressurização) começa e quando a taxa de fluxo é estabilizada com base nas propriedades da tinta (Figura 15). Durante o experimento de controle de configuração do parâmetro de software, é difícil observar qualquer variação na impressão devido às mudanças no espaço de passagem e ao valor de configuração de penetração de traços. Portanto, esses dois parâmetros devem ser fixados separadamente com base no padrão projetado. Os resultados do experimento de controle de configuração são os seguintes: espaçamento de passe, penetração de traço e comprimento de acabamento devem ser ajustados com base no padrão a ser impresso. Além disso, a taxa de alimentação, a distância anti-stringing, o pontapé, a relação start/stop suave e o setpoint reológico devem ser ajustados com base nas propriedades da tinta. Portanto, os valores dos parâmetros de software para diferentes tintas (tinta condutora, tinta EDLC e tinta GPE) foram fixados conforme mostrado na Tabela 1.
Os dados eletroquímicos foram obtidos conforme descrito na etapa 7 do protocolo. A Figura 16A,B,C apresenta os dados CV, GCD e EIS, respectivamente. Os dados apresentados na Figura 16A foram obtidos através da medição cv. A capacitância gravimétrica, a capacitância areal e a capacitância celular foram calculadas em 5,74 F/g, 142 mF/cm2 e 178 mF/célula, respectivamente, para uma taxa de digitalização de 5 mV/s. Gráficos GCD (Figura 16B) demonstram uma forma de curva quase simmétrica, que é a propriedade característica do EDLC. Além disso, o gráfico EIS (Figura 16C) ilustra um baixo valor de Rs (5,29 Ω) e nenhum valor Rct, que são típicos do EDLC.
Figura 1: Padrão interdigitado projetado com programa CAD. As duas almofadas na parte superior do padrão são impressas apenas com uma tinta coletora atual. O grande quadrado azul-celeste é impresso com uma tinta de eletrólito de polímero gel, e as linhas azuis são impressas com a tinta da linha EDLC e tinta de colecionador atual. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Imagem da janela do programa da impressora. (A) A primeira tela do programa. A seta vermelha mostra onde está o botão Imprimir. (B) A segunda tela do programa. A seta vermelha mostra onde está o botão Simples. (C) A terceira tela do programa. A seta vermelha mostra qual tinta deve ser selecionada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Uma captura de tela mostrando como carregar o arquivo Gerber do padrão projetado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Uma captura de tela mostrando como corrigir a placa PCB e montar a sonda. (A) Uma imagem de visão superior da impressora a jato de tinta que contém a placa PCB. (B) A imagem frontal da impressora a jato de tinta onde a sonda está montada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Uma captura de tela mostrando como verificar o movimento do teste quando a posição do padrão é alterada. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Uma captura de tela mostrando como medir a altura da superfície. Depois de clicar no PROBE, a sonda vai para o ponto indicado no substrato (denotado por círculos) e, em seguida, move-se para baixo e para cima para verificar a altura do substrato. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Uma captura de tela mostrando como ajustar os parâmetros do software e imprimir o padrão da amostra. (A) Uma imagem de captura de tela mostrando o procedimento para imprimir um padrão de amostra. A seta vermelha indica que o botão imprime o padrão da amostra e a seta amarela indica o botão para controlar os parâmetros de software para as tintas. (B) Uma janela que aparece quando a seta amarela mostrada em (A) é pressionada. Os parâmetros de software podem ser modificados alterando os valores indicados pela seta 1. Pressione a seta 2 para salvar as alterações nos parâmetros de software. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: Imagem SEM das tintas e camadas impressas, e viscosidade de tinta EDLC. (A,B) Imagens SEM de visão superior do coletor atual em (A) baixa ampliação e (B) alta ampliação. (C) Imagem SEM de visão lateral inclinada da película de camada ativa EDLC impressa. (D-F) Imagens SEM de exibição superior da camada ativa EDLC com diferentes ampliações. (G) Viscosidade aparente da tinta EDLC versus tempo de cisalhamento para experimento constante de taxa de cisalhamento 0,3 s-1. Adaptado com permissão de referência18. Copyright (2020) American Chemical Society. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: Fotografia dos resultados impressos. (A) Foto de falha de impressão; a parte vermelha circulada é impressa de forma irregular devido à falha de impressão. (B) Fotografia do produto impresso final. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 10: Resultados de impressão correspondentes à alteração na taxa de alimentação. (A) 100 mm/min, (B) 300 mm/min, (C) 500 mm/min e (D) 600 mm/min. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 11: Resultados de impressão correspondentes às alterações no kick. (A) 0,1 mm, (B) 0,2 mm, (C) 0,35 mm e (D) 0,7 mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 12: Resultados de impressão correspondentes às alterações no comprimento do acabamento. (A) 1,0 mm e (B) 50 mm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 13: As imagens que mostram como o dispensador se move pelo ajuste do parâmetro de distância anti-cordas. (A) Movimento do bocal quando o valor da distância anti-stringing é fixado no valor máximo (5,0 mm). (B) Fotografia de cordas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 14: Resultados de impressão correspondentes à alteração da alteração do setpoint reológico. (A) 0 e (B) 1.0. Os círculos vermelhos em (B) mostram as rachaduras (ou buracos) causadas pelo efeito entupimento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 15: Resultados de impressão correspondentes à variação na relação soft start/soft stop. A rotação no sentido horário da dente-de-serra (seta vermelha) indica o início da impressão. (A) Valor máximo de início macio e valor mínimo de parada suave, bem como (B) valor mínimo de soft start e valor máximo de parada suave. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 16: Os resultados dos testes eletroquímicos dos gráficos de supercapacitor impresso. (A) CV, (B) GCD e (C) EIS. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Parâmetro | Tinta condutora | Tinta EDLC | Tinta GPE |
| Espaçamento de passagem (mm) | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
| Altura do dispenso (mm) | 0.12 | 0.14 | 0.16 |
| Taxa de alimentação (mm/min) | 500 | 300 | 300 |
| Comprimento de corte (mm) | 120 | 120 | 120 |
| Penetração de traço (mm) | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
| Distância anti-cordas (mm) | 0.4 | 0.7 | 0.1 |
| Chute (mm) | 0.35 | 0.3 | 0.4 |
| Relação de início suave | 0.1 | 0.8 | 0.8 |
| Relação de parada suave | 0.15 | 0.1 | 0.15 |
| Ponto de setpoint reológico | 0.16 | 0.2 | 0.16 |
Mesa 1. Os parâmetros de software otimizados para tinta condutora, tinta EDLC e tinta GPE.
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Discussion
As etapas críticas deste protocolo estão envolvidas na configuração do parâmetro de software para imprimir o padrão projetado, ajustando finamente os valores dos parâmetros. A impressão personalizada pode levar à otimização estrutural e à obtenção de novas propriedades mecânicas19. O método de impressão a jato de tinta com controle de parâmetro de software pode ser usado para impressão sofisticada em diversos setores, selecionando o material otimizado para o processo de impressão.
Na fabricação de supercapacitores utilizando impressão a jato de tinta, um artigo relatou que ainda há um limite para o desenvolvimento de um padrão com uniforme e alta resolução. Foi relatado que a alta temperatura pós-tratamento ainda é necessária, e o processo de otimização do material é indispensável20. Outro artigo relatou que para usar a impressão de jato de tinta corretamente, é necessário ajustar a viscosidade e a tensão superficial em uma faixa relativamente estreita que depende da impressora. Para isso, a concentração do material ativo da tinta é limitada. Em alguns casos, observou-se que várias impressões são necessárias para depositar uma quantidade suficiente de material21. De acordo com essa tendência, este protocolo pode ajudar os pesquisadores a implementar padrões com maior resolução, fornecendo métodos precisos para o manuseio de impressoras a jato de tinta. Além disso, com o domínio sobre o controle de software, pode-se simplificar o processo de fabricação ajustando os parâmetros de software, como taxa de alimentação e kick sem ter que imprimir várias vezes para depositar material suficiente.
O controle de parâmetros de software para impressão precisa pode ser feito de acordo com o protocolo apresentado. No entanto, alguns gargalos devem ser enfrentados para melhorar o desempenho do dispositivo com base no método de impressão. Vários problemas, como a disseminação de tinta e o efeito entupimento, requerem a otimização das características da própria tinta, juntamente com o ajuste dos valores dos parâmetros de software22. As duas propriedades mais cruciais da tinta são a viscosidade e a tensão superficial23. Portanto, a viscosidade24 e a tensão superficial25 da tinta devem ser medidas e controladas para sua otimização. Para melhorar o desempenho, também é importante entender completamente as propriedades das tintas e selecionar materiais com razões adequadas.
Em resumo, um protocolo é estabelecido aqui para usar impressão a jato de tinta para imprimir um dispositivo supercapacitor. Uma discussão sobre parâmetros de software que controlam a impressora a jato de tinta foi fornecida aqui como um guia útil para manusear e otimizar processos de impressão sofisticados. Mais progressos na impressão de dispositivos vestíveis para armazenamento de energia, sensores flexíveis e a indústria aeroespacial podem ser alcançados através da otimização de material de tinta.
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Disclosures
Os autores não têm revelações.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pela Korea Electric Power Corporation (número de concessão: R21XO01-24), o Programa de Desenvolvimento de Competência para Especialistas da Indústria da MOTIE coreana operado pela KIAT (No. P0012453), e a Bolsa de Pós-Graduação em Pesquisa da Universidade chung-Ang 2021.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2” x 3” FR4 board | Voltera | SKU: 1000066 | PCB substrate |
| Activated carbon | MTI | Np-Ag-0530HT | |
| Eagle CAD | Autodesk | PCB CAD program | |
| Ethyl cellulose | Sigma Aldrich | 46070 | 48.0-49.5% (w/w) ethoxyl basis |
| Flex 2 conductive ink | Voltera | SKU: 1000333 | Flexible Ag ink |
| Lithium perchlorate | Sigma Aldrich | 634565 | |
| Propylene carbonate | Sigma Aldrich | 310328 | |
| PVDF | Sigma Aldrich | 182702 | average Mw ~534,000 by GPC |
| Smart Manager | ZIVE LAB | ver : 6. 6. 8. 9 | Electrochemical analysis program |
| Super-P | Hyundai | ||
| Terpineol | Sigma Aldrich | 432628 | |
| Thinky mixer | Thinky | ARE-310 | Planetary mixer |
| Triton-X | Sigma Aldrich | X100 | |
| V-One printer | Voltera | SKU: 1000329 | PCB printer |
| ZIVE SP1 | Wonatech | Potentiostat device |
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